Nghiên cứu tương tác và tán xạ của tia X với vật chất

Máy phát tia X

Để phát ra tia X cần phải có các thiết bị khác đi kèm cùng với ống phát tia X và tạo thành máy phát tia X. Máy phát là một thiết bị rất phức tạp ngoài ống phát ra thì còn có các bộ phận chủ yếu khác nữa nh: biến thế cao áp và nguồn hạ áp, ổn.

Phơng pháp ghi nhận bằng phim ảnh

Chính phần năng lợng chùm tia bị hấp thụ trong lớp cảm quang đã gây ra đã tác. Khi hấp thụ tia Rơnghen cũng nh dới tác động của ánh sáng thờng trong lớp cảm quang sẽ xuất hiện các tâm ảnh ẩn đó là các thay đổi không nhìn thấy đợc. Thuốc hiện hình chỉ tác động hoá học lên các hạt chứa tâm ảnh ẩn trong lớp mặt ngoài của hạt.

Sau khi hiện hình cần rửa phim để loại trừ phần sót lại của thuốc hiện hình và cho vào dung dịch hãm hình. Ngời ta thiết lập đợc rằng khi độ phơi sáng không quá lớn thì số lợng các hạt Ag gần tỉ lệ với độ phơi sáng. Nh vậy bằng cách đếm số lợng các hạt bạc trên một đơn vị diện tích, nhờ kính hiển vi, có thể dựa theo số l- ợng đó mà đánh giá cờng độ của tia X chiếu lên đoạn phim đó.

Phơng pháp huỳnh quang (phơng pháp nhìn bằng mắt)

Sau khi định hình ngời ta rửa phim bằng dòng nớc chảy cỡ 30 phút và phơi khô. Sau quá trình gia công hoá học nh thế, trên phim chỉ còn các hạt bạc kim loại. Tuy nhiên phơng pháp này rất công phu và chỉ phù hợp với độ phơi sáng nhỏ.

Phơng pháp này không dùng để xác định liều lợng cờng độ tia X nó chỉ dùng để thăm dò khuyết tật bằng tia X. Trong phân tích cấu trúc ngời ta dùng các màn phủ chất phát quang thuộc nhóm (1) khi chỉnh các buồng chụp vào chùm tia X.

Tơng tác của tia X với vật chất

Trờng hợp các điện tử quang điện có xuất xứ từ lớp K hoặc lớp L thì chính các nguyên tử bị Ion hoá trở lại bình thờng và phát ra tia X. Hiện tợng này đợc phát triển thành phơng pháp huỳnh quang tia X để phân tích nguyên tố. Khi chùm tia X đi qua một lớp vật chất có bề dày d, cờng độ của chúng bị suy giảm đi đó là do sự tác động qua lại giữa tia X với nguyên tử vật chất.

Trong chơng này chúng ta sẽ xét chi tiết hai quá trình tán xạ tia X bởi vật chất.

Quá trình tán xạ đàn hồi của tia X với vật chất 1. Khái niệm

Bởi vì điện tử dao động cỡng bức với tần số bằng tần số dao động của điện trờng sóng sơ cấp cho nên sóng thứ cấp do điện tử phát ra có tần số chính bằng tần số của sóng sơ cấp tức là bớc sóng tia tán xạ bằng bớc sóng của tia sơ cấp. Vậy tán xạ đàn hồi là tán xạ có bớc sóng của tia thứ cấp do điện tử phát ra bằng bớc sóng của tia sơ cấp. Nếu sóng sơ cấp không phân cực, E→xuất phát từ O có thể nằm theo mọi vị trí trong mp (yOz), có nghĩa là giá trị trung bình theo thời gian của các hình chiếu của E→ lên Oy và oz phải bằng nhau.

Hệ số tán xạ của điện tử δe đợc định nghĩa là tỷ số giữa năng lợng tán xạ W và cờng độ tia sơ cấp. Nếu trong 1 đơn vị thể tích chứa n điện tử thì số điện tử chứa trong 1 đơn vị khối lợng. Xét quá trình tán xạ bằng thực nghiệm cho thấy hệ số tán xạ khối lợng phụ thuộc vào nguyên tử số Z của vật thể tán xạ ở mức độ thấp.

Quá trình tán xạ không đàn hồi của tia X bởi vật chất

• Tán xạ Rơnghen bởi nguyên tử

Tán xạ trên các nguyên tử nhẹ (năng lợng liên kết giữa các hạt điện tử và hạt nhân là yếu) lúc này photon dễ dàng bứt đợc các nguyên tử các phân tử cung cấp cho chúng một động năng, còn bản thân photon do sự tổn hao 1 phần năng lợng nên λ tơng ứng tăng lên tức là quá trình tán xạ kèm theo sự thay đổi λ. Nếu tán xạ các sóng dài (năng lợng thấp) bởi các nguyên tử nặng (liên kết mạnh) photon không đủ năng lợng để bứt các điện tử ra khỏi nguyên tử vì vậy khi va chạm photon bị lệch hớng mà không bị tổn hao năng lợng để cấp cho điện tử, λ của photon không thay đổi đó là tán xạ kết hợp. Ta thấy ngay rằng khi λ lớn, tức là H << 1, biểu thức (2.30) trùng với công thức Thomson tức là vai trò tán xạ kết hợp là áp đảo, ngời ta đã làm thí nghiệm kiểm tra và thấy rằng khi bớc sóng λ càng nhỏ, kết quả thực nghiệm càng lệch khỏi công thức Thomson và ngợc lại càng gần với công thức Klein Nishina.

Ngời ta dùng phơng pháp thực nghiệm để xác định đại lợng ∆λ, muốn thế phải đo khoảng cách giữa hai tán xạ kết hợp và không kết hợp. I = H + K (2.32) Vì trong quá trình tán xạ không kết hợp có sự thay đổi bớc sóng nên sóng tán xạ không hết hợp không thể giao thoa với nhau. Điều đó nói lên rằng các điện tử trong nguyên tử nằm trong một cấu trúc nhất định làm cho chúng phụ thuộc nhau, sóng tán xạ của mỗi điện tử phụ thuộc vào nhau và làm giảm cờng độ sóng tán xạ tổng cộng.

Độ suy giảm cờng độ

Là độ suy giảm cờng độ đối với 1 đơn vị khối lợng ký hiệu là àm. Gọi ρa là thiết diện hấp thụ hiệu dụng nếu photon Rơnghen bay qua thiết diện đó bị hấp thụ hay bị tán xạ. Độ suy giảm cờng độ khi chùm tia đi qua dx bằng tích cờng độ chùm tia tại điểm đó Ix với xác suất hấp thụ.

Vai trò các thành phần trong hệ số suy giảm à

Đặc trng cho 3 quá trình xảy ra khi chùm tia X đâm xuyên vào vật chất. Trong đó hệ số suy giảm ρà thành phần nào giữ vai trò chính còn phụ thuộc vào λ tia X và Z của nguyên tố hấp thụ đối với bức xạ mềm thì vai trò hấp thụ áp đảo. 3 quá trình hấp thụ, tán xạ và tạo cặp mặc dầu khi λ suy giảm thì chỉ có τ, δ giảm theo, còn h tăng lên.

Cờng độ tán xạ tia X bởi tinh thể nhỏ

Trờng hợp h, k, l bất kỳ, →S không nhất thiết là vectơ nối gốc mạng đảo tới một nút nào đó. (N- Tổng số các nguyên tử trong tinh thể hoặc tổng số ô mạng trong tinh thể). Nhng ở đây ta tính cờng độ tia tán xạ theo phơng không hoàn toàn thoả mãn.

Vị trí tán xạ bằng cách nối tâm O hình cÇu Ewald víi mọi điểm của diện tích trên, kết quả là tia tán xạ cũng bị nhoè, tức là vết nhiễu xạ thu đợc trên. Nối từ gốc 0 có thể xê dịch sao cho đầu mút của nó nằm trong hình bình hành trên. Trong đó h, k là nguyên và là toạ độ tâm hình bình hành quanh nút đảo.Nếu tinh thể có kích thớc không đều; Na rất nhỏ; Nb; Nc lớn tức là ξa lớn ; ξb, ξc không đáng kể.

Khả năng phản xạ của tinh thể

Tuy nhiên đại lợng đó cha hoàn toàn để đặc trng cho khả năng phản xạ bởi tinh thể ở chỗ. Tia sơ cấp bao giờ cũng có độ phân kỳ nhất định vì vậy chỉ một bộ phận nhỏ của chùm tia làm với mặt. Muốn phản xạ đầy đủ khả năng phản xạ của tinh thể ta xoay tinh thể tơng đối với.

Trong đó: E=∫I( )θdτ là năng lợng tán xạ đo đợc trong thời gian xoay tinh thể quanh vị trí phản xạ. Trong quá trình xoay tinh thể từ 1 đến 2, lần lợt tia a và b thoả mãn điều kiện phản xạ góc giữa mặt phản xạ (hkl) và các tia là θ0. Ta phải xoay tinh thể một góc φ sao cho toàn bộ vùng G quét mặt cầu Ewald lúc này ta thu đợc toàn bộ năng lợng bởi mặt (hkl) của tinh thể.

Cờng độ tán xạ bởi đa tinh thể

Dao động nhiệt của nguyên tử làm cho các mặt nguyên tử nh có bề mặt dày us ở hình vẽ vì vậy có bề dày nên khoảng cách d giữa các mặt nguyên tử thay. Tỉ số giữa diễn tích vành đó (ds) trên toàn bộ diễn tích mặt cầu sẽ bằng tỉ số giữa các hạt tinh thể tham gia phản xạ trên tổng số các hạt chứa trong tinh thể (đợc tia X chiếu lên). Gọi N(θ) là số các hạt tham gia phản xạ và N là tổng số các hạt thì.

Số nhân này phụ thuộc vào sơ đồ hình học của phép chụp và nói chung rất phức tạp.